高中物理課件:《熱力學(xué)第一定律》(滬科版選修3-3)
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,歡迎進入物理課堂,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,【典例1】(2010福建高考)如圖所示,一定質(zhì)量的理想氣體密封在絕熱(即與外界不發(fā)生熱交換)容器中,容器內(nèi)裝有一可以活動的絕熱活塞.今對活塞施以一豎直向下的壓力F,使活塞緩慢向下移動一段距離后,氣體的體積減小.若忽略活塞與容器壁間的摩擦力,則被密封的氣體,A.溫度升高,壓強增大,內(nèi)能減少B.溫度降低,壓強增大,內(nèi)能減少C.溫度升高,壓強增大,內(nèi)能增加D.溫度降低,壓強減小,內(nèi)能增加,【思路點撥】明確研究對象是密閉的氣體,由動能和內(nèi)能的關(guān)系得出溫度的變化再利用理想氣體狀態(tài)方程求解.【標(biāo)準(zhǔn)解答】選C.由F對密閉的氣體做正功,容器及活塞絕熱則Q=0,由動能和內(nèi)能的關(guān)系知理想氣體內(nèi)能增加,溫度升高,再根據(jù)pV/T=C,V減小,p增大,故選C.,【變式訓(xùn)練】某校開展探究性課外活動,一同學(xué)用如圖所示的裝置研究氣體壓強、體積、溫度三量之間的變化關(guān)系,該同學(xué)選用導(dǎo)熱良好的汽缸,將其開口向下,內(nèi)裝理想氣體,并將汽缸固定不動,但缸內(nèi)活塞可自由滑動且不漏氣,他把一溫度計通過缸底小,孔插入缸內(nèi),插口處密封良好,活塞下掛一個沙桶,沙桶裝滿沙子時活塞恰好靜止.他把沙桶底部鉆一個小洞,讓細(xì)沙慢慢漏出,外部環(huán)境溫度恒定.由此可確定()A.外界對氣體做功,內(nèi)能增大B.外界對氣體做功,溫度計示數(shù)不變C.氣體體積減小,溫度計示數(shù)減小D.外界對氣體做功,溫度計示數(shù)增大,【解析】選B.細(xì)沙慢慢漏出,使活塞受到的拉力逐漸減小,在大氣壓力的作用下,活塞緩慢上移,此過程通過壓縮對缸內(nèi)氣體做功,有使其內(nèi)能增大、溫度升高的趨勢;由于汽缸導(dǎo)熱良好,且過程十分緩慢,使汽缸能夠及時與外界進行熱交換而保持與外界環(huán)境溫度相同,由于外界環(huán)境溫度恒定,所以缸內(nèi)氣體溫度不變,內(nèi)能也就不變.,【典例2】(1)一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了2.6105J的熱量,內(nèi)能增加了4.2105J,是氣體對外界做了功,還是外界對氣體做了功?做了多少功?(2)一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了3.5105J的熱量,同時氣體對外界做功2.3105J,則氣體的內(nèi)能怎樣變化?【思路點撥】本題考查熱力學(xué)第一定律的表達式,應(yīng)首先根據(jù)符號法則,判斷已知量的正負(fù)號,再將其代入熱力學(xué)第一定律的表達式ΔU=W+Q中,求第三個量.,【標(biāo)準(zhǔn)解答】(1)根據(jù)熱力學(xué)第一定律表達式中的符號法則知Q=2.6105J,ΔU=4.2105J.由ΔU=W+Q,得W=ΔU-Q=4.2105J-2.6105J=1.6105J.W>0,說明是外界對氣體做了功.(2)Q=3.5105J,W=-2.3105J則ΔU=Q+W=1.2105JΔU為正值,說明氣體的內(nèi)能增加了1.2105J.答案:見標(biāo)準(zhǔn)解答,【變式訓(xùn)練】(2010重慶高考)給旱區(qū)送水的消防車停于水平面,在緩緩放水的過程中,若車胎不漏氣,胎內(nèi)氣體溫度不變,不計分子勢能,則胎內(nèi)氣體()A.從外界吸熱B.對外界做負(fù)功C.分子平均動能減少D.內(nèi)能增加,【解析】選A.由于緩緩放水,胎內(nèi)的氣體壓強變小,體積增大,對外做功,又因氣體的溫度不變,即氣體的內(nèi)能不變,由熱力學(xué)第一定律知,氣體要從外界吸熱,A正確.,1.如圖所示實驗裝置,把浸有乙醚的一小塊棉花放在厚玻璃筒內(nèi)底部,當(dāng)很快向下壓活塞時,由于被壓縮氣體驟然變熱,溫度升高達到乙醚的燃點,使浸有乙醚的棉花燃燒起來,此實驗的目的是要說明()A.對物體做功可以增加物體的熱量B.對物體做功可以改變物體的內(nèi)能C.對物體做功一定會提高物體的溫度D.做功一定會增加物體的內(nèi)能,【解析】選B.熱量是一個過程量,內(nèi)能是一個狀態(tài)量,A錯;做功可能只增大系統(tǒng)分子勢能,使其內(nèi)能增大,但分子動能不變,其溫度不變,比如:兩塊0℃的冰相互摩擦?xí)r,冰熔化為0℃的水,C錯;若物體對外做功,其內(nèi)能可能會減少,D錯.,2.下列有關(guān)焦耳及焦耳實驗的說法中正確的是()A.焦耳是法國物理學(xué)家,他的主要貢獻是焦耳定律及熱功當(dāng)量B.焦耳實驗用到的容器可以用普通玻璃杯代替C.焦耳實驗的研究對象是容器中的水D.焦耳實驗中要使容器及其中的水升高相同的溫度,實驗中懸掛重物的質(zhì)量、下落的高度可以不相同,但做功必須相同,【解析】選D.焦耳是英國物理學(xué)家,A錯;焦耳實驗的要求是絕熱系統(tǒng),普通玻璃杯達不到絕熱要求,B錯;實驗的研究對象是容器及其中的水組成的系統(tǒng),C錯;要使同一些水(及容器)升高相同的溫度即內(nèi)能增加相同,必須做功相同,D對.,3.對于熱量、功和內(nèi)能三者的下列說法中正確的是()A.三者單位相同,物理意義相同B.熱量和功是內(nèi)能的量度C.熱量和功由過程決定,而內(nèi)能由物體狀態(tài)決定D.系統(tǒng)內(nèi)能增加了100J,可能是外界采用絕熱方式對系統(tǒng)做功100J,也可能是外界單純地對系統(tǒng)傳熱100J,【解析】選C、D.熱量、功和內(nèi)能三者盡管單位相同,但物理意義有本質(zhì)區(qū)別,A錯.熱量和功由過程決定,內(nèi)能由物體狀態(tài)決定,熱量和功是內(nèi)能變化的量度,C對,B錯.對一個絕熱過程ΔU=W=100J,對一個單純熱傳遞過程ΔU=Q=100J,D對.,4.下列關(guān)于做功和熱傳遞的說法中正確的是()A.做功和熱傳遞的實質(zhì)是相同的B.做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的C.做功和熱傳遞是對同一過程中的兩種說法D.做功和熱傳遞是不可能同時發(fā)生的,【解析】選B.做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的,但本質(zhì)不同,做功是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能或?qū)?nèi)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能;熱傳遞是將一個物體的內(nèi)能傳遞給另一個物體,且做功和熱傳遞可以同時進行,故正確選項為B.,5.(2010全國高考)如圖,一絕熱容器被隔板K隔開成a、b兩部分.已知a內(nèi)有一定量的稀薄氣體,b內(nèi)為真空.抽開隔板K后,a內(nèi)氣體進入b,最終達到平衡狀態(tài).在此過程中()A.氣體對外界做功,內(nèi)能減少B.氣體不做功,內(nèi)能不變C.氣體壓強變小,溫度降低D.氣體壓強變小,溫度不變,【解析】選B、D.a中的氣體向真空的b中擴散時不做功,而容器又是絕熱的,故內(nèi)能不變,溫度不變,而氣體的體積變大,由玻意耳定律知,壓強變小,故B、D選項正確.,6.若對物體做1200J的功,可使物體溫度升高3℃,改用熱傳遞的方式,使物體溫度同樣升高3℃,那么物體應(yīng)吸收多少熱量?如果對該物體做3000J的功,物體的溫度升高5℃,表明該過程中,物體放出多少熱量?,【解析】做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的,因此,用吸熱方式使溫度升高3℃,應(yīng)吸收1200J的熱量.對物體做功3000J,溫度升高5℃,設(shè)物體溫度升高5℃,需要的功或熱量為ΔE.1200J=cm3,ΔE=cm5,所以ΔE=2000J.因此物體放出1000J的熱量.答案:1200J1000J,一、選擇題(本大題共5小題,每小題5分,共25分,每小題至少一個選項符合題意)1.指出下面例子中通過熱傳遞改變物體內(nèi)能的是()A.手感到冷時,搓搓手就會覺得暖和些B.擦火柴時,火柴頭上的紅磷溫度升高到紅磷的燃點,火柴燃燒起來C.物體在陽光照射下溫度升高D.反復(fù)彎折一根鐵絲,彎折的部分溫度升高,【解析】選C.A、B、D均是通過做功改變物體的內(nèi)能,C項是通過熱傳遞的方式之一熱輻射來改變物體內(nèi)能,故C項正確.,2.(2010濱州高二檢測)下列說法正確的是()A.外界對氣體做功,氣體的內(nèi)能一定增大B.氣體從外界吸收熱量,氣體的內(nèi)能一定增大C.氣體的溫度越低,氣體分子無規(guī)則運動的平均動能越大D.氣體的溫度越高,氣體分子無規(guī)則運動的平均動能越大,【解析】選D.物體內(nèi)能的變化與做功和熱傳遞兩種因素有關(guān).外界對氣體做功,同時物體有可能向外界放出熱量,內(nèi)能也有可能不變甚至減小,故A項錯;同理,氣體從外界吸收熱量,同時也有可能對外界做功,氣體的內(nèi)能不一定增大,故B項錯;溫度是物體分子熱運動平均動能的標(biāo)志,氣體的溫度越高,氣體分子無規(guī)則運動的平均動能越大,故C項錯、D項正確.,,3.(2010廣東高考)如圖是密閉的汽缸,外力推動活塞P壓縮氣體,對缸內(nèi)氣體做功800J,同時氣體向外界放熱200J.缸內(nèi)氣體的()A.溫度升高,內(nèi)能增加600JB.溫度升高,內(nèi)能減少200JC.溫度降低,內(nèi)能增加600JD.溫度降低,內(nèi)能減少200J,【解析】選A.由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q知缸內(nèi)氣體的溫度升高,內(nèi)能增加600J.A選項正確.,4.地面附近有一正在上升的空氣團,它與外界的熱交換忽略不計.已知大氣壓強隨高度增加而降低,則該氣團在此上升過程中(不計氣團內(nèi)分子間的勢能)()A.體積減小,溫度降低B.體積減小,溫度不變C.體積增大,溫度降低D.體積增大,溫度不變,【解析】選C.本題考查對熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能的理解;隨著空氣團的上升,壓強減小,體積增大,空氣團對外做功,則內(nèi)能減少,若只考慮分子動能,分子動能減小,溫度降低,故選C.,5.如圖所示,帶有活塞的汽缸中封閉一定質(zhì)量的理想氣體.將一個半導(dǎo)體NTC熱敏電阻R置于汽缸中,熱敏電阻與容器外的電源E和電流表組成閉合回路,汽缸和活塞具有良好的絕熱(與外界無熱交換)性能.熱敏電阻發(fā)熱不計,若發(fā)現(xiàn)電流表的讀數(shù)增大時,以下判斷正確的是(),A.氣體一定對外做功B.氣體體積一定增大C.氣體內(nèi)能一定增大D.氣體壓強一定增大【解析】選C、D.電流表讀數(shù)增大,說明熱敏電阻溫度升高,由于汽缸絕熱,故氣體溫度升高,則內(nèi)能一定增大,C正確;氣體壓強也一定增大,D正確.,二、非選擇題(本大題共3小題,共25分)6.(2009廣東高考)(5分)(1)遠(yuǎn)古時代,取火是一件困難的事,火一般產(chǎn)生于雷擊或磷的自燃.隨著人類文明的進步,出現(xiàn)了“鉆木取火”等方法.“鉆木取火”是通過______方式改變物體的內(nèi)能,把_____轉(zhuǎn)變成內(nèi)能.,(2)某同學(xué)做了一個小實驗:先把空的燒瓶放到冰箱冷凍,一小時后取出燒瓶,并迅速把一個氣球緊密地套在瓶頸上,然后把燒瓶放進盛滿熱水的燒杯里,氣球逐漸膨脹起來,如圖.這是因為燒瓶里的氣體吸收了水的______,溫度______,體積______.,【解析】(1)“鉆木取火”是通過做功的方式來改變物體的內(nèi)能,該過程是把機械能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能.(2)氣球膨脹起來的原因是通過熱傳遞的方式,氣體吸收了水的熱量,使自身溫度升高,體積增大.答案:(1)做功機械能(2)熱量升高增大,7.(10分)一定質(zhì)量的氣體,在從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)的過程中,吸收熱量280J,并對外做功120J,試問:(1)這些氣體的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變化?(2)如果這些氣體又返回原來的狀態(tài),并放出了240J熱量,那么在返回的過程中是氣體對外界做功,還是外界對氣體做功?做多少功?,【解析】(1)由熱力學(xué)第一定律可得ΔU=W+Q=-120J+280J=160J.(2)由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關(guān),所以氣體回到原來狀態(tài)的過程中內(nèi)能的變化應(yīng)等于從原來狀態(tài)到現(xiàn)在狀態(tài)過程中內(nèi)能的變化,則從現(xiàn)在狀態(tài)到原來狀態(tài)的內(nèi)能應(yīng)減少160J,即ΔU′=-160J,又Q′=-240J,根據(jù)熱力學(xué)第一定律得:ΔU′=W′+Q′所以W′=ΔU′-Q′=-160J-(-240J)=80J即外界對氣體做功80J.,答案:(1)增加了160J(2)外界對氣體做功80J,8.(10分)如圖所示是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實驗裝置,開始時封閉的空氣柱長度為22cm,現(xiàn)在用豎直向下的外力F壓縮氣體,使封閉空氣柱長度變?yōu)?cm,人對活塞做功100J,大氣壓強為p0=1105Pa,不計活塞重力.問:,(1)若用足夠長的時間緩慢壓縮氣體,求壓縮后氣體的壓強多大?(2)若以適當(dāng)?shù)乃俣葔嚎s氣體,向外散失的熱量為20J,則氣體的內(nèi)能增加多少?(活塞的橫截面積S=1cm2),【解析】(1)設(shè)壓縮后氣體的壓強為p,活塞的橫截面積為S,L0=22cm,L=2cm,V0=L0S,V=LS緩慢壓縮氣體,溫度不變,由玻意耳定律得:p0V0=pV解得:p=1.1106Pa.(2)大氣壓力對活塞做功:W1=p0S(L0-L)=2J人對活塞做功W2=100J,由熱力學(xué)第一定律:ΔU=W1+W2+Q,將Q=-20J代入解得ΔU=82J.答案:(1)1.1106Pa(2)82J,1.在給自行車打氣時,常會發(fā)現(xiàn)輪胎內(nèi)空氣溫度升高,這是因為()A.胎內(nèi)氣體壓強不斷增大,而容積不變B.輪胎從外界吸熱C.外界空氣溫度本來就高于胎內(nèi)氣溫度D.打氣時外界不斷地對胎內(nèi)氣體做功,【解析】選D.給自行車輪胎打氣時,人要不斷地把空氣壓入輪胎內(nèi),其實是通過壓縮不斷不停地對氣體做功,使其內(nèi)能增大,溫度也隨之升高,選項D正確.,2.A、B兩裝置,均由一支一端封閉,一端開口且?guī)в胁A莸墓軤钊萜骱退劢M成,除玻璃泡在管上的位置不同外,其他條件相同.將兩管抽成真空后,開口向下豎直插入水銀槽中(插入過程沒有空氣進入管內(nèi)),水銀柱上升至如圖所示位置停止.假設(shè)這一過程中水銀與外界沒有熱量交換,則下列說法正確的是(),A.A中水銀的內(nèi)能增量大于B中水銀的內(nèi)能增量B.B中水銀的內(nèi)能增量大于A中水銀的內(nèi)能增量C.A和B中水銀體積保持不變,故內(nèi)能增量相同D.A和B中水銀溫度始終相同,故內(nèi)能增量相同,【解析】選B.由于是絕熱過程,所以水銀的內(nèi)能增量應(yīng)該根據(jù)做功情況來判斷;由于管內(nèi)真空,可知圖中水銀柱的豎直高度相同,則它們的質(zhì)量(m)、體積(V)也就相同,管外水銀面下降的高度(l)也就相同.,管中水銀柱上升的過程,就是管外大氣壓力做功的過程,做功的大小W=Fl=p0Sl,因為SA=SB(管外水銀的表面積),lA=lB,所以大氣壓力對水銀做的功相等,即WA=WB,根據(jù)能量的轉(zhuǎn)化情況,大氣壓力做的功一部分轉(zhuǎn)化成水銀柱的重力勢能,一部分轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,所以有W=mgh+ΔU.對管內(nèi)水銀柱,由于玻璃泡的位置不同,可知管內(nèi)水銀柱重心的高度不同,有hA>hB.綜合以上分析,ΔUA<ΔUB.即B中水銀的內(nèi)能增量大于A中水銀的內(nèi)能增量.,3.關(guān)于熱傳遞,下列說法正確的是()A.熱傳遞的實質(zhì)是溫度的傳遞B.物體間存在著溫度差,才能發(fā)生熱傳遞C.熱傳遞可以在任何情況下進行D.物體內(nèi)能發(fā)生改變,一定是吸收或放出了熱量,【解析】選B.熱傳遞的實質(zhì)是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移,故A錯.熱傳遞的條件是物體間存在著溫度差,高溫物體放出熱量,低溫物體吸收熱量,若兩物體溫度相同,它們之間便不會發(fā)生熱傳遞,故B對、C錯.物體吸收或放出熱量,內(nèi)能可能會發(fā)生變化,但內(nèi)能變化不一定是熱傳遞引起的,可以是做功的方式,故D錯.,4.一個氣泡從恒溫水槽的底部緩慢向上浮起,若不計氣泡內(nèi)空氣分子勢能的變化,則()A.氣泡對外做功,內(nèi)能不變,同時放熱B.氣泡對外做功,內(nèi)能不變,同時吸熱C.氣泡內(nèi)能減少,同時放熱D.氣泡內(nèi)能不變,不吸熱也不放熱,【解析】選B.在氣泡緩慢上升的過程中,氣泡外部的壓強逐漸減小,氣泡膨脹,對外做功,故氣泡中空氣分子的內(nèi)能減小,溫度降低.但由于外部恒溫,且氣泡緩慢上升,故可以認(rèn)為上升過程中氣泡內(nèi)空氣的溫度始終等于外界溫度,內(nèi)能不變,故需從外界吸收熱量,且吸收的熱量等于對外界所做的功.,5.如圖,活塞將汽缸分成兩氣室,汽缸、活塞(連同拉桿)是絕熱的,且汽缸不漏氣,以E甲、E乙分別表示甲、乙兩氣體的內(nèi)能,則在用一定的拉力將拉桿緩慢向外拉的過程中()A.E甲不變,E乙不變B.E甲減小,E乙增大C.E甲與E乙總量不變D.E甲與E乙總量增加,【解析】選B、D.用力緩慢地拉拉桿的過程中,由于各部分均絕熱,所以由甲氣體體積增加,乙氣體體積減小可得:E甲減小,E乙增大,A錯誤,B正確;又因為整個過程是外界對氣體做正功,所以氣體的總內(nèi)能應(yīng)該增加,所以C錯,D對.,6.將兩塊-10℃的冰塊互相摩擦,兩者之間摩擦力保持10N,兩者相對速度為0.9m/s,若摩擦產(chǎn)生的能量全部被冰塊吸收,問5min后冰塊增加的內(nèi)能是多少?若改用煤油爐加熱,需要燃燒多少煤油?(已知煤油爐效率是30%,煤油的燃燒值為4.5107J/kg),【解析】做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的.做功增加冰塊的內(nèi)能與煤油燃燒傳遞給冰的內(nèi)能相等.(1)已知f=10N,v=0.9m/s,t=300s,則摩擦力做功為:W=fvt=100.9300J=2700JΔE=W,故ΔE=2700J,冰的內(nèi)能增加2700J.,(2)改用煤油爐加熱,其傳遞給冰塊的熱量等于摩擦力做功產(chǎn)生的熱量,已知q=4.5107J/kg根據(jù)W=ηqm得答案:(1)2700J(2)2.010-4kg,本部分內(nèi)容講解結(jié)束,同學(xué)們,來學(xué)校和回家的路上要注意安全,同學(xué)們,來學(xué)校和回家的路上要注意安全,- 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